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Che aspetto ha una galassia appena nata?
Per molto tempo, molti astrofisici e cosmologi hanno ipotizzato che le galassie appena nate avrebbero assomigliato alle sfere e ai dischi ragno familiari nell’universo moderno.
Ma secondo un’analisi di nuove immagini del telescopio spaziale James Webb, le galassie baby non erano né uova né dischi. Erano banane. Oppure sottaceti, sigari o tavole da surf: scegli la tua metafora. Questa è la conclusione provvisoria di un team di astronomi che ha riesaminato le immagini di circa 4.000 galassie appena nate osservate da Webb all’alba dei tempi.
“Questo è un risultato sorprendente e inaspettato, anche se ce n’erano già accenni con Hubble”, ha detto Viraj Pandya, ricercatore post-dottorato alla Columbia University, riferendosi al telescopio spaziale Hubble. È l’autore principale di un articolo che sarà presto pubblicato sull’Astrophysical Journal con il titolo provocatorio “Galaxies Going Bananas”. Il dottor Pandya terrà un discorso sul suo lavoro mercoledì in una riunione dell’American Astronomical Society a New Orleans.
Se il risultato fosse valido, gli astronomi affermano che potrebbe alterare profondamente la loro comprensione di come le galassie emergono e crescono. Potrebbe anche offrire informazioni sulla misteriosa natura della materia oscura, una forma sconosciuta e invisibile di materia che, secondo gli astronomi, costituisce la maggior parte dell’universo e supera la materia atomica con un rapporto di 5 a 1. La materia oscura inghiotte le galassie e fornisce i vivai gravitazionali in cui si sviluppano le galassie. nascono nuove galassie.
Il risultato si basa su indizi provenienti da precedenti osservazioni del telescopio Hubble secondo cui le prime galassie avevano la forma di sottaceti, ha affermato Joel Primack, astronomo dell’Università della California, Santa Cruz, e autore del nuovo articolo.
In una e-mail, Alan Dressler degli Osservatori Carnegie, che non faceva parte del lavoro del dottor Pandya, ha definito il risultato “importante – penso che sia importante – estremamente importante, se è vero”.
“Conservo un certo scetticismo riguardo a questo risultato, data la difficoltà di effettuare tale misurazione”, ha aggiunto. “Soprattutto per le galassie lontane, piccole e poco luminose (sto parlando delle galassie).”
Il team del dottor Pandya ha analizzato le immagini delle galassie in una zona di cielo più piccola di una luna piena conosciuta come Extended Groth Strip, che è stata rilevata da molti altri telescopi incluso il telescopio Hubble. Le immagini sono state ottenute da una collaborazione internazionale chiamata indagine Cosmic Evolution Early Release Science, o CEERS.
Il team prevede di estendere le proprie osservazioni ad altre aree ben studiate del cosmo. “Questo ci consentirà di identificare galassie con diverse forme 3D in tutto il cielo” e di facilitare le tanto necessarie osservazioni spettroscopiche di follow-up, ha scritto il dottor Pandya in una e-mail.
Le galassie sono le città-stato del cosmo. Si stima che nell’universo visibile ce ne siano due trilioni, ciascuno contenente fino a un trilione di stelle. Ma l’universo visibile è solo una frazione di ciò che c’è là fuori. La maggior parte della materia nel cosmo sembra essere sotto forma di materia oscura; qualunque sia la materia oscura, costituisce l’ossatura invisibile dell’universo che vediamo.
Gli astronomi ora pensano che le galassie siano state originate da fluttuazioni casuali nella densità di materia ed energia durante il Big Bang. Man mano che lo spazio si espandeva, le aree più dense rimanevano indietro e la materia oscura si accumulava, trascinando con sé la materia normale. Questo materiale alla fine si ricompose e si illuminò formando stelle e galassie o scomparve nei buchi neri. Il telescopio Webb è stato progettato per indagare quest’era formativa e misteriosa; con uno specchio gigante e sensori a infrarossi, può vedere le galassie più lontane, e quindi le più antiche.
Il dottor Pandya e i suoi collaboratori hanno studiato le forme tridimensionali delle galassie analizzando statisticamente le loro proiezioni bidimensionali nel cielo. Se queste galassie primordiali fossero sfere o dischi orientati casualmente nello spazio, dovrebbero occasionalmente presentare ai telescopi le loro facce complete, apparendo rotonde e circolari.
Ma gli astronomi non ne vedono molto. Vedono invece tanti sigari e banane.
“Appaiono costantemente molto lineari”, ha detto il dottor Pandya, “con alcune galassie che mostrano molteplici gruppi luminosi disposti come perle su una collana”.
Galassie oblunghe di questo tipo sono rare oggi, ma costituiscono circa l’80% delle galassie del campione CEERS, che risale a circa 500 milioni di anni dopo il Big Bang.
“Le loro masse sono tali che sarebbero i progenitori di galassie come la Via Lattea”, ha detto il dottor Pandya, “il che implica che la nostra galassia potrebbe aver attraversato una fase morfologica simile a quella del sigaro/tavola da surf in passato”.
Nell’universo moderno le galassie sembrano presentarsi in due forme fondamentali: nuvole rotondeggianti e informi chiamate ellittiche e dischi piatti e ragnateli come la nostra casa, la Via Lattea.
Evidentemente i primissimi neonati non sono nati così. Il motivo, sospettano gli astronomi, è legato alle proprietà della materia oscura, ma esattamente quale e come non è chiaro.
La teoria principale sostiene che la materia oscura sia costituita da nubi di particelle subatomiche esotiche lasciate dal Big Bang. Secondo le simulazioni al computer, la materia ordinaria, attirata dalla gravità in queste nuvole, si condenserebbe e si illuminerebbe in stelle e galassie.
In una variante popolare chiamata materia oscura fredda, queste particelle rimanenti sarebbero pesanti e lente rispetto ai protoni, ai neutroni e agli altri abitanti più familiari del mondo atomico quantistico. Secondo le simulazioni al computer, la materia oscura fredda si raggrupperebbe facilmente per formare i modelli su larga scala che gli astronomi vedono nel cielo.
L’identificazione di queste particelle lente e pesanti scuoterebbe il mondo della fisica delle particelle e della cosmologia. Ma finora gli esperimenti condotti in laboratori come il Large Hadron Collider del CERN non sono riusciti a rilevare o produrre alcuna particella di materia oscura fredda. Ultimamente, l’interesse si è spostato su altre forme proposte di materia oscura, inclusa un’intera galleria – un “settore oscuro” – di particelle “oscure” che interagiscono tra loro invisibilmente attraverso forze “oscure”.
In questo mix ci sono gli assioni, che in teoria sono estremamente leggeri e si comportano più come onde che come particelle: “materia oscura sfocata” o “materia oscura ondulata”, nel gergo. Nelle simulazioni al computer della formazione delle galassie, tali onde possono interferire tra loro, producendo strutture filamentose nodose invece delle forme rotonde previste dalla materia oscura fredda.
“Sì, la connessione con la materia oscura è allettante”, ha detto il dottor Pandya, aggiungendo che il diavolo si nasconde nei dettagli confusi della “gastrofisica”, che descrive come la turbolenza, il gas caldo e i campi magnetici interagiscono per illuminare stelle e galassie.
Jeremiah Ostriker, professore emerito di astrofisica a Princeton ora affiliato alla Columbia University, negli ultimi anni ha rivolto la sua attenzione alla materia oscura confusa. Nel 1973, il dottor Ostriker concepì l’idea della materia oscura con il suo collega di Princeton James Peebles.
Lui e altri hanno sottolineato che la materia oscura confusa lascerebbe la propria firma sulle dimensioni e sulla forma delle piccole galassie. A causa della loro intrinseca ondulazione, gli assioni non si aggregano con la stessa efficacia della materia oscura fredda, quindi sarebbe difficile per loro produrre piccole galassie con meno di un miliardo di masse solari. La materia oscura fredda non ha tale limitazione. Tuttavia, i telescopi odierni non sono abbastanza sensibili per osservare questi bambini; potrebbe essere necessaria una nuova generazione di strumenti ancora più grandi per completare il lavoro.
Quando il dottor Ostriker venne a conoscenza del lavoro del dottor Pandya, osservò che le prospettive per la materia oscura confusa sembravano sempre migliori. “Continuate così”, ha detto.
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